La simulation numérique imagine le futur

Simulation de l’atomisation du carburant à la sortie d’un injecteur automobile. Réveillon J., Hecht N., Demoulin F.X., CORIA UMR CNRS 6614, CC BY

Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la Science 2017, qui se tient du 7 au 15 octobre, et dont The Conversation France est partenaire. Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.


Fermez les yeux !

Imaginez, face à vous un espace, où vous avez tout pouvoir de transformation. Il est là, devant vous, comme une pièce de quelques mètres de côté. À l’origine, il n’y a rien à l’intérieur, le vide absolu. Aucune loi physique ne s’y applique, ce volume est comme une singularité – votre singularité – dans notre univers physique.

Simulation du débordement d’une digue par une vague déferlante. Julien Réveillon/CORIA

Jouons un peu. Votre premier objectif est de créer un micro-univers virtuel permettant de reproduire la réalité qui vous entoure. Votre premier choix est de faire apparaître une balle de tennis, juste en face de vous. Voilà, c’est fait ! Que se passe-t-il ? Rien.

C’est normal. Pour le moment aucune loi physique ne régit votre univers, il n’a donc aucune raison d’évoluer. Votre seconde décision est donc d’intégrer dans votre monde la notion de temps mais aussi la gravité. Aussitôt, votre balle commence à chuter… et disparaît quand elle atteint la limite de votre espace. Qu’avez-vous oublié ? Les lois d’action et de réaction. Un claquement de doigt et c’est fait. Par la même occasion, vous inventez aussi les lois d’élasticité. À présent, toute balle que vous disposez au centre de votre boite va tomber, rebondir sur la paroi du fond pour ensuite remonter… à l’exacte position d’où elle est partie, pour retomber à nouveau et poursuivre ainsi un mouvement perpétuel.

Vous comparez avec la même expérience dans la réalité et, au tout début, vous êtes satisfait d’observer un comportement très proche de votre balle virtuelle. Mais très vite la balle réelle rebondit à vos pieds avec des sauts de plus en plus petits avant de s’immobiliser. À partir de cette observation, vous en déduisez que votre micro-univers est incomplet. En l’occurrence, il vous faut rajouter un gaz : l’air, et intégrer le fait que son frottement avec la balle de tennis en mouvement va ralentir cette dernière. De plus votre loi de rebond était trop parfaite ! Vous devez l’améliorer en prenant en compte l’énergie perdue dans le choc, dont acte.

Balles. Sue Moore/Flickr, CC BY-NC-SA

Eurêka ! Cette fois, votre balle virtuelle va chuter, percuter le sol, rebondir à une hauteur inférieure à sa position initiale, rebondir à nouveau et ainsi de suite jusqu’à son immobilisation. Exactement comme dans la réalité. Vous avez réussi !

Reproduction des phénomènes

Ce micro-univers, vous pouvez aussi le créer avec une très grande précision et une reproductibilité sans limite grâce à la simulation numérique. Votre imagination et votre créativité sont tout aussi nécessaires, mais par l’intermédiaire d’un ordinateur. En développant des programmes très spécifiques, vous lui apprenez à reproduire des phénomènes physiques de plus en plus complexes jusqu’à ce que la machine reproduise la réalité avec une grande fidélité.

À présent, la balle que vous avez créé est à présent capable de suivre exactement les mêmes trajectoires que celles des matchs de Rolland-Garros. Et vous pouvez aller plus loin ! L’avion qui décolle sur votre écran lorsque vous actionnez les bonnes touches de votre clavier subit les mêmes gravité et poussée que celui qui quitte les pistes de Roissy. Si vous tirez un peu trop sur le manche il décrochera exactement au même moment. Avec une différence cependant : ce sera sans conséquence.

C’est pourquoi le pilote débutant peut commencer à s’entraîner sur votre simulateur sans danger. Avec le même programme, le constructeur du prochain long courrier pourra aussi simuler le comportement de son avion dans toutes les situations. Y compris celles que l’on ne rencontre pas lors des vols d’essai, que cela soit un orage violent ou des turbulences inattendues dans le sillage d’un autre avion. Grâce à ces simulations, il pourra apprendre aux pilotes mais aussi à l’ordinateur de bord de l’avion comment réagir à tout danger.

Maquettes numériques

Laissons là notre pilote pour rejoindre un architecte. Ce dernier, en dessinant ses plans, voit son bâtiment prendre vie sur son écran grâce à la plus grande révolution dans le bâtiment de ces dernières années : la maquette numérique ou le BIM pour Building Information Model. Tous les corps de métier sans exception sont concernés : depuis ceux qui construisent la structure du bâtiment en passant par la simulation des circuits hydrauliques et électriques et en finissant par le dernier coup de peinture sur les murs et l’installation des luminaires qui lui permettra de simuler l’ambiance des locaux. Grâce au BIM, vous pouvez visiter l’ensemble de l’immeuble avant même la pose de la première pierre, vous connaîtrez sa consommation énergétique ou encore la manière dont il va vieillir et quand les rénovations seront nécessaires.

Fallingwater house. 3D Warehouse, CC BY

Continuons nos visites. Après le in vivo et le in vitro, la médecine est passée à l’ère du in silico. Aujourd’hui, votre médecin peut observer une simulation de la progression des plaques de cholestérol dans vos artères après une première série d’examens non invasifs. Ensuite, votre chirurgien sait quand et où intervenir avec le matériel adéquat et un minimum de risque pour vous. Dans le laboratoire voisin, son collègue recherche un vaccin pour contrer le dernier virus mortel qui vient d’être découvert. Sans prendre de risques inutiles pour lui ou la population, il observe des entités biologiques virtuelles se combattre.

Finissons à grand échelle. La prévision météo est un grand classique de la simulation numérique. Tellement intégrée dans notre quotidien que nous n’imaginons même pas les milliers de modèles numériques dédiés aux échanges entre les océans et l’atmosphère, entre le soleil et la terre, entre les pôles et l’équateur, etc., qu’il a fallu intégrer pour avoir une estimation fiable sur plusieurs jours. Les catastrophes sont aussi dans le collimateur des numériciens. Prenez, par exemple, l’océan Pacifique le mal nommé, bien connu pour les risques inhérents à la présence de nombreuses failles sismiques tant sur les côtes japonaises qu’américaines. À ce jour, la prédiction de tremblements de terre est encore impossible à envisager, sauf dans les romans d’anticipation. En effet, trop de données inconnues entrent en jeu. En revanche il est possible de se préparer à leurs conséquences.

Prenons ainsi toutes les failles connues des côtes est et ouest et effectuons une simulation numérique systématique de séismes sur chacune de ces failles. Grâce aux calculs nous saurons en combien de temps et avec quelle énergie le tsunami qui sera généré atteindra les côtes japonaises et les îles du Pacifique ; les populations pourront se mettre à l’abri.

La simulation numérique nous permet d’aller là où aucun humain ne peut se rendre, d’observer des tempêtes centenaires, de construire des immeubles, des ponts, des avions. Elle nous permet d’imaginer les futurs possibles. Les artistes ne s’y sont pas trompés. Ils utilisent les mêmes outils que les scientifiques pour développer des mondes imaginaires. La seule différence ? Ils peuvent se permettre de jouer avec les lois de la physique. Leur micro-univers devient alors ouvert à tous les possibles pour notre plus grand plaisir.